Исследование кинетики сушки гречихи в сушилке с закрученными потоками теплоносителя

Гречиха одна из наиболее важных сельскохозяйственных культур, являющаяся незаменимым продуктом питания. Гречневая крупа имеет высокие вкусовые качества, питательна, хорошо усваивается. Гречневую крупу относят к числу лучших диетических продуктов. Кроме того, гречиха является хорошим медоносом, а высокая усвояющая способность ее корневой системы способствует повышению плодородия почвы [1].

Зерно гречихи отличается высоким содержанием незаменимых аминокислот. По одной из важнейших незаменимых аминокислот -лизину - зерно гречихи превосходит зерно проса, пшеницы, ржи, риса и приближается к соевым бобам. По содержанию треонина зерно гречихи превосходит зерно проса, пшеницы и ржи, а по содержанию валина уступает лишь рису.

По содержанию валина зерно гречихи может быть приравнено к молоку, по лейцину - к говядине, фенилаланину - к молоку и говядине. По содержанию триптофана зерно гречихи не уступает продуктам животного происхождения.

Сушка семян гречихи является одной из важнейших стадий подготовки данного сырья к последующему процессу его переработки. От режима сушки зависят пищевая ценность и качественные показатели готовой продукции, являющиеся результатом структурномеханических, биологических и физикомеханических преобразований веществ. Технологические режимы сушки семян гречихи зависят от содержания в них воды и оказывают существенное влияние на изменение углеводов, денатурацию белка, окисления липидов, изменения витаминов и органических кислот.

Для изучения процессов, происходящих в сушильных установках, не достаточно знаний только свойств высушиваемого материала. Необходимо также знать кинетические характеристики и особенности термодинамики. Важное значение при этом имеет рациональное сочетание экспериментальных данных и методов математического анализа, которые определяют взаимосвязь величин, оказывающих наибольшее влияние на специфику тепло-и массообмена в процессе сушки [1].

Для исследования кинетики сушки гречихи была спроектирована и изготовлена экспериментальная сушильная установка с регулируемым закрученным потоком теплоносителя, конструкция которой представлена на рисунках 1 , 3, 4 [2, 3, 4, 5].

Для исследования влияния параметров процесса сушки на качество получаемого продукта и обоснование режима сушки гречихи было выполнено планирование эксперимента, позволяющее варьировать одновременно все факторы и получать количественные оценки эффектов их взаимодействия.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки:

1 - сменная сушильная камера; 2- завихритель;

3 - удерживающая решетка; 4 - осевой патрубок для подачи сушильного агента; 5 - тангенциальный патрубок для подачи сушильного агента; 6, 8 - калориферы; 7, 9 - вентиляторы; 10 - щит управления; 11, 12 - частотные преобразователи для регулирования подачи вентиляторов; 13 - электрический счетчик; 14, 15 - регуляторы температуры в калориферах, 16 - трубка пито

Удельная нагрузка на объем конической части сушильной камеры является функцией вида G^ = f ( т , V_K ) и определяется следующей зависимостью:

к т

G y ^g  у ,

к

где т - масса загружаемого материала, кг; V _K -объем конической части сушильной камеры, м³.

V _k = 1 п • H ( R ² + R • r + r ²) ,        (2)

где R - внутренний диаметр цилиндрической части сушильной камеры, м; r - внутренний диаметр нижнего основания конуса, м; H - высота конической части сушильной камеры, м.

Учитывая (1-2), запишем, что:

G g =

3 • m п • H (R2 + R • r + r2).

Таким образом, видно, что G Д _д зависит и от геометрических размеров сушильной камеры.

Из ранее проведенных экспериментальных исследований установлено, что изменение осевого расхода агента Qос, м3/с, от удельной нагрузки на объем конической части сушильной камеры G кдй, кг/м3, при прорыве и последующем образовании канала в слое ма- териала связаны между собой следующей зависимостью (рисунок 2):

Q_oc = 294,33 + 7215,8 • D² - 1652,8 • D   (4)

Рисунок 2. Зaʙисимость осевогo paсходa aгентa Q_ос, м/с, от удельной ʜaгрузки ʜa oбъем конической чaсти сушильной кaмеры, кг/м ³

Для исследования и постановки опытов с целью определения оптимального режима сушки было применено центральное композиционное униформ-ротатабельное планирование и выбран полный факторный эксперимент.

На основании литературных данных из множества факторов, влияющих на процесс сушки , для исследования были выбраны следующие : температура Т са сушильного агента, соотношение диаметров конической части корпусa D / d . и paсход Q τ тaʜгенциaльно подводимого потокa теплоносителя . От этих пa-paметров зaʙисит не только скорость сушки , но и кaчество высушиʙaeмого мaтериaлa . Изу-чaя их взaимное влияниe ʜa процесс, можно выявить оптимaльный режим сушки и опти-мaльную конструкцию кaмеры (рисунок 3).

Выбор критериев оценки y обусловлен иx ʜaибольшей зʜaчимостью для процессa сушки. Taк y1 - удельные энергозaтpaты ʜa килогpaмм готовой продукции, определяет энергоемкость тивность, (кВт·ч)/кг; y2 – ʜaпряжение объемa сушильной кaмеры по испapeʜʜoй влaге опреде- ляет производительность процессa, и ʜaпрямую связaʜa с его скоростью, кгвл/(м3·ч).

Все изучaeмые фaкторы были совместимы и некоррелируемы между собой, a пределы их изменения приведены в тaблице 1. Выбор интер-ʙaлов изменения фaкторов обусловлен технологическими условиями процессa сушки гречихи и техническими xapaктеристикaми сушилки.

Рисунок 3. Схемa сушильной кaмеры

Экспериментaльʜaя устaʜoʙкa преду-смaтриʙaeт ʜaличие сменных конических встa-вок paзличного диaметpa. Величины D , H и h во всех секциях остaются неизменными, D =300 мм, H =200 мм , h =150 мм.

Рисунок 4. Сменные конические встaʙки процессa и является одним из ʙaжных покaзaте- лей, оцениʙaющих его энергетическую эффек-

Таблица 1

Интepʙaлы изменения фaкторов

Условия плaʜиpoʙaʜия	Кодиpoʙaʜʜoe зʜaчение	Зʜaчение фaкторов в точкax плaʜa
		x 1	x 2	x 3
		D/d	T ca , K	Q t , м3/ч
Основной интepʙaл	0	0.33	358	31
Интepʙaл ʙapьиpoʙaʜия	Δ	0.17	15	31.5
Верхний уровень	+1	0.43	373	78.
Нижний уровень	-1	0.23	343	21.5
Верхняя «звездʜaя точкa»	+1,682	0.5	383	110
Нижняя «звездʜaя точкa»	-1,682	0.17	333	4

Удельʜaя ʜaгрузкa ʜa oбъем конической чaсти сушильной кaмеры во всех опытax явля-лaсь величиной постоянной = 25.2 кг/м3. Про-гpaммa исследoʙaʜий былa зaложeʜa ʙ мaтрицу плaʜиpoʙaʜия (в дaʜʜoй стaтье не предстaʙлeʜa).

После стaтистической обpaботки экспе-риментaльных дaʜʜых, с учетом зʜaчимости коэффициентов, получены урaʙʜeʜия регрессии, aдекʙaтно описыʙaющие процесс сушки гречихи под влиянием исследуемых фaкторов:

у 1 = 2,6 - 0,11 х - 0,09 х ₂ - 0,03 х ₃ -

• - 0,04 х² - 0,06 х ₂ ² - 0, 03 х ₃ ² - (5)

• - 0,06 х 1 х ₂ - 0,03 х 1 х ₃ - 0,08 х ₂ х ₃;

у ₂ = 15,27 + 0,28 х 1 + 0,75 х ₂ + 0,97 х ₃ -

• - 0,68 х 1 ² - 0,28 х ₂ ² - 0,36 х ₃ ² + (6)

• + 0,27 х 1 х ₂ + 0,11 х 1 х ₃ + 0,37 х ₂ х ₃.

Анализ уравнения регрессии (5-6) позволяет выделить факторы, наиболее влияющие на рассматриваемый процесс сушки.

На удельные энергозатраты наибольшее влияние оказывает отношение d/D и температура сушильного агента, наименьшее - расход тангенциально подводимого потока. Степень влияния параметров относительно друг друга b i :b₃ = 1,458, причем знак плюс перед коэффициентом при линейных членах указывает на то, что при увеличении входного параметра значение выходного параметра увеличивается, а знак минус - убывает.

На напряжение сушильной камеры по испаренной влаге наибольшее влияние оказывает отношение диаметров d/D и в меньшей степени - температура сушильного агента. Отношение коэффициентов, стоящих перед линейными членами, показывающих степень влияния параметров относительно друг друга, оказались равными: b₃:b 1 = 1,117.

Полученные уравнения (5-6) нелинейны. Таким образом, в результате выполнения 20-ти опытов получена информация о влиянии факторов и построена математическая модель процесса, позволяющая рассчитать удельные энергозатраты на 1 кг высушенного материала, напряжение сушильной камеры по испаренной влаге внутри выбранных интервалов варьирования входных факторов.

В условиях оптимального гидродинамического режима с использованием метода планирования эксперимента нами проведены исследования кинетики сушки и теплообмена зерна гречихи в аппарате с закрученным потоком теплоносителя (рисунок 1). Согласно полученным зависимостям можно найти время сушки, соответствующее определенной влажности W .

Влияние температуры теплоносителя на кинетику сушки гречихи в сушилке с закрученными потоками теплоносителя представлено на рисунке 5.

Полученные кривые свидетельствуют о том, что температура теплоносителя является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на скорость сушки семян. Следует отметить, что температура теплоносителя оказывает влияние на соотношения периодов постоянной и убывающей скоростей сушки. С по- вышением температуры наблюдается снижение критической влажности. Это объясняется тем, что увеличение температуры интенсифицирует внутреннюю диффузию влаги, а также увеличением доли связанной влаги, испарение которой происходит в первый период сушки.

Рисунок 5. Кривые сушки и скорости сушки гречихи:

1 - D/d =0.33, Т са =338 К, Q =31 м ³ / ч

2 - D/d =0.33, Т са =358 К, Q t =31 м ³ / ч ;

3 - D/d =0.33 , Т са =383 К, Q t =31 м ³ / ч

Из рисунка видно, что наибольшая часть влаги удаляется в период постоянной скорости сушки. Это объясняется тем, что семена гречихи содержат большое количество осмотической и адсорбционно-связанной влаги. Наличие периода постоянной скорости сушки говорит о том, что интенсивность диффузии влаги превышает интенсивность влагообмена.

Влияние отношения D/d сушильной камеры на кинетику сушки гречихи в сушилке с закрученными потоками теплоносителя пред-

Рисунок 6. Кривые сушки и скорости сушки гречихи:

1 - D/d =0.5, Т са =358 К, Q t =31 м ³ / ч

2 - D/d =0.33, Т са =358 К, Q t =31 м ³ / ч ;

3 - D/d =0.17 , Т са =358 К, Q t =31 м ³ / ч

Полученные кривые свидетельствуют о том, что соотношение диаметров конической части корпуса в сушилке с закрученными потоками оказывает существенное влияние на скорость сушки гречихи. Анализ кривых показывает, что в начале процесса, когда влажность материала уменьшается по кривой, имеет место кратковременная стадия прогрева ма- териала. Продолжительность этой стадии зависит от высоты слоя продукта (чем меньше соотношение, тем выше высота слоя).

Влияние тангенциального расхода теплоносителя на кинетику сушки гречихи в су- шилке с закрученными потоками теплоносите-

Рисунок 7. Кривые сушки и скорости сушки гречихи:

1 – D/d =0.33, Т са =358 К, Q τ =4 м ³ / ч

2 – D/d =0.33, Т са =358 К, Q τ =31 м ³/ ч ;

3 – D/d =0.33 , Т са =358 К, Q τ =110 м ³ / ч

Из графика видно, что величина тангенциального расхода теплоносителя в незначительной степени влияет на изменение скорости вла-гоудаления по отношению к другим факторам.

Установлено, что скорость сушки гречихи в начале процесса резко увеличивается ,